CN109257126B - 一种基于无线信号的室内活动探测方法及系统 - Google Patents

一种基于无线信号的室内活动探测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于无线信号的室内活动探测方法及系统，属于室内活动探测技术领域。所述方法包括：通过室内的WIFI信号发射端向WIFI信号接收端发射WIFI数据包，并采集对应的信道状态信息；根据预设方法对采集的信道状态信息进行处理，得到多普勒频移谱；判断多普勒频移谱的最高谱峰的能量是否高于预设能量阈值，当判断结果为是时，判定室内有活动物体；当判断结果为否时，判定室内没有活动物体。本申请中，实现了非接触式的室内感知环境的活动物体探测；对于不同的部署环境和系统拷贝，不用修改商用WIFI网卡的任何部件，也不需要进行任何离线学习和校准，部署方便，可操作性强，应用范围广泛。

Description

一种基于无线信号的室内活动探测方法及系统
技术领域
本申请涉及室内活动探测技术领域，尤其涉及一种基于无线信号的室内活动探测方法及系统。
背景技术
非接触式室内活动探测指的是不需要感知目标携带任何设备，就可以探测环境中是否有一个活动物体存在。无线局域网(WIFI)设备目前广泛存在于我们的日常生活中，因此实现在商业WIFI设备上的非接触式活动探测技术受到人们的广泛关注。
2012年，香港科技大学的Jiang Xiao等人在文献1(FIMD:Fine-grained Device-free Motion Detection,ICPADS 12)中提出了一种利用WIFI信号信道状态信息(ChannelState Information,CSI)的振幅在时域的相关性来感知探测室内是否存在活动物体的方法。该方法利用了当有活动物体存在时，信道状态信息的振幅变化明显，时域相关性较低的特点，通过事先离线学习有活动物体存在和没有活动物体存在时的信道状态信息振幅的相关性的差异，然后根据实际在线测量得到的相关性来判断是否有活动物体存在。然而，该方法针对特定的室内环境，需要学习有活动物体存在和没有活动物体存在时的差异，同时当环境发生改变时，该方法还需要对环境变化进行校准。
2014年，中国的Kun Qian等人在文献2(PADS:Passive detection of movingtargets with dynamic speed using PHY layer information,ICPADS14)中提出了一种方案：同时利用信道状态信息的振幅和相位来判断环境中是否有活动物体。该方案以振幅信息的协方差矩阵的最大特征值以及相位信息的协方差矩阵的最大特征值作为环境特征，通过离线采集有活动物体时的环境特征和没有活动物体时的环境特征，训练一个支持向量机分类模型。最终通过在线采集环境特征，利用支持向量机模型来区分当前环境是否存在活动物体。然而，该方法同样需要针对不同的环境学习不同的分类模型，并且当环境发生变化时需要对模型进行校准。
2017年，中国的Shengjie Li等人在文献3(AR-Alarm:An Adaptive and RobustIntrusion Detection System Leveraging CSI from Commodity WIFI,ICOST 17)中提出了一种方案：利用WIFI信号的相位差信息来探测环境中是否存在活动物体。与振幅和相位相比，相位差消除了信号中的噪声，能够更为准确地探测到环境中的活动物体。该解决方案利用了相位差的方差作为区分静态环境以及有物体活动的环境的特征。然而，与之前的环境类似，该方法同样需要针对不同的环境进行学习，当环境发生改变时需要校准。
可见，现有的室内活动探测方法中，多需要预先学习模型，且对于不同的探测环境，需要重新校准，操作繁杂。
发明内容
为解决现有技术的不足，本申请提出一种基于无线信号的室内活动探测方法及系统。
第一方面，本申请提出一种基于无线信号的室内活动探测方法，包括：
通过室内的WIFI信号发射端向WIFI信号接收端发射WIFI数据包，并采集对应的信道状态信息；
根据预设方法对所述信道状态信息进行处理，得到多普勒频移谱；
判断所述多普勒频移谱的最高谱峰的能量是否高于预设能量阈值，当判断结果为是时，判定室内有活动物体；当判断结果为否时，判定室内没有活动物体。
可选的，所述WIFI信号接收端至少具有两根天线，并且是支持测量信道状态信息的设备；
对应的，所述采集对应的信道状态信息，具体为：采集所述WIFI信号接收端测量的信道状态信息。
可选的，所述根据预设方法对所述信道状态信息进行处理，得到多普勒频移谱，具体为：
根据Doppler-MUSIC方法对所述信道状态信息进行处理，得到多普勒频移谱。
可选的，当对室内进行持续探测时，所述判断结果为否时，还包括：更新所述预设能量阈值。
可选的，所述更新所述预设能量阈值，包括：
统计室内无活动物体的时长；
当统计的时长到达预设时长时，根据统计的时长内得到的各多普勒频移谱的最高谱峰的能量计算新的能量阈值；
将所述预设能量阈值更新为所述新的能量阈值。
第二方面，本申请提出一种基于无线信号的室内活动探测系统，包括：
WIFI信号发射端，用于向WIFI信号接收端发射WIFI数据包；
WIFI信号接收端，用于接收所述WIFI信号发射端发射的WIFI数据包；
采集模块，用于在所述WIFI信号发射端向所述WIFI信号接收端发射WIFI数据包时，采集对应的信道状态信息；
处理模块，用于根据预设方法对所述采集模块采集的信道状态信息进行处理，得到多普勒频移谱；
判断模块，用于判断所述处理模块得到的多普勒频移谱的最高谱峰的能量是否高于预设能量阈值，当判断结果为是时，判定室内有活动物体；当判断结果为否时，判定室内没有活动物体。
可选的，所述WIFI信号接收端至少具有两根天线，并且是支持测量信道状态信息的设备；
对应的，所述采集模块，具体用于采集所述WIFI信号接收端测量的信道状态信息。
可选的，所述处理模块，具体用于根据Doppler-MUSIC方法对所述采集模块采集的信道状态信息进行处理，得到多普勒频移谱。
可选的，系统还包括：更新模块；
更新模块，用于系统对室内进行持续探测，且所述判断模块的判断结果为否时，更新所述预设能量阈值。
可选的，所述更新模块具体用于：
统计室内无活动物体的时长；
当统计的时长到达预设时长时，根据统计的时长内所述处理模块得到的各多普勒频移谱的最高谱峰的能量计算新的能量阈值；
将所述预设能量阈值更新为所述新的能量阈值。
本申请的优点在于：
本申请中，利用WIFI设备的现有天线，通过采集接收端的信道状态信息，并结合Doppler-MUSIC方法以及预先测定的能量阈值，实现了非接触式的室内感知环境的活动物体探测；同时，对于不同的部署环境和系统拷贝，不用修改商用WIFI网卡的任何部件，也不需要进行任何离线学习和校准，部署方便，可操作性强，应用范围广泛。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1为根据本申请实施方式的一种基于无线信号的室内活动探测方法流程图；
附图2为根据本申请实施方式的一种室内感知环境部署示意图；
附图3为根据本申请实施方式的一种基于无线信号的室内活动探测方法示意图；
附图4为根据本申请实施方式的一种基于无线信号的室内活动探测系统框图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例一
根据本申请的实施方式，提出一种基于无线信号的室内活动探测方法，如图1所示，包括：
步骤101：通过室内的WIFI信号发射端向WIFI信号接收端发射WIFI数据包，并采集对应的信道状态信息；
其中，WIFI信号发射端又称为发射器、发射设备，其可以是各种支持测量信道状态信息(Channel State Information，CSI)的WIFI设备，如路由器等；WIFI信号接收端又称为接收器、接收设备，其至少具有两根天线，并且是支持测量信道状态信息的设备；该信道状态信息反应了信号从发射端至接收端所发生的振幅和相位的改变。
具体的，WIFI信号接收端的网卡为商用WIFI网卡，其需要具有两根或两根以上的天线同时接收WIFI信号，并且能够测量信道状态信息。
例如，接收设备的网卡为Intel 5300网卡、Atheros AR9580网卡、Atheros AR9590网卡等。
进一步的，步骤101中采集对应的信道状态信息，具体为采集WIFI信号接收端测量的信道状态信息。
需要指出的，可以根据室内感知区域的形状、大小等，自行设定WIFI信号发射端和WIFI信号接收端的数量、位置及二者之间的距离。
步骤102：根据预设方法对采集的信道状态信息进行处理，得到多普勒频移谱；
具体的，根据Doppler-MUSIC方法对采集信道状态信息进行处理，得到多普勒频移谱；
其中，Doppler-MUSIC方法具体为2017年中国的Xiang Li等人在文献“IndoTrack:Device-Free Indoor Human Tracking with Commodity WIFI,IMWUT 2017”中提出的一种估计运动物体直接反射信号多普勒频移参数的方法Doppler-MUSIC，包括：根据WIFI信号接收端的两根天线上测量的CSI做共轭乘法，消除WIFI信号发射端与WIFI信号接收端之间不同步产生的随机相移，并减去CSI均值，移除静态路径成分的频率信息，然后计算多普勒频移谱。其更具体的实现过程可参见该文献，在此不再详述。
步骤103：判断得到的多普勒频移谱的最高谱峰的能量是否高于预设能量阈值，当判断结果为是时，判定室内有活动物体；当判断结果为否时，判定室内没有活动物体。
其中，预设能量阈值为预先测定，具体为一段时间(大于5秒)静态环境下测量到的所有多普勒频移谱的最高谱峰的能量的累积分布函数的90％所对应的能量。
进一步的，预设能量阈值与系统使用的信道状态信息的采样率、以及每计算一次多普勒频移谱所用的采样数相关，在测定预设能量阈值后，针对不同的部署环境或系统拷贝，只要与测定预设能量阈值所用的采样率相同、计算多普勒频移谱所用的采样数相同，即可使用相同的预设能量阈值，不需要人为重新测定。
例如，通过预先测量，在200Hz信道状态信息采样率下，以60个采样计算一次多普勒频移谱时，得到预设能量阈值为-3.97；则后续在不同的部署环境和系统拷贝中，只要采样率为200Hz，多普勒频移谱计算所用采样数为60，均可采用该预设能量阈值，不需要重新学习和校准。
更进一步的，当对室内进行持续探测时，步骤103中判断结果为否时，还包括：更新预设能量阈值。
其中，更新预设能量阈值，包括：
统计室内无活动物体的时长；
当统计的时长到达预设时长时，根据统计的时长内得到的各多普勒频移谱的最高谱峰的能量计算新的能量阈值；
并将预设能量阈值更新为计算的新的能量阈值。
其中，预设时长例如为5秒。
本申请中，通过更新预设能量阈值，能够根据实际的探测环境进行更准确的探测。
如图2和图3所示，以下给出一个具体示例来说明本申请的方法：
对于一个矩形的室内感知区域进行持续探测，用一个常见的WIFI设备作为WIFI信号发射端；选择支持3根天线、提供30个子载波的信道状态信息的Intel5300网卡安装在一台个人电脑上作为WIFI信号接收端，并在Intel 5300网卡上连接2根天线(例如天线1和天线2)同时接收信号；将WIFI信号发射端置于矩形感知区域的一个角上，将WIFI信号接收端放置在与WIFI信号发射端相对的角上，且二者之间的距离为6米；同时采用5GHz的WIFI信号，20MHz的带宽；
WIFI信号发射端以200个包每秒的速度发射WIFI数据包；
WIFI信号接收端接收WIFI信号发射端发射的WIFI数据包，并从中测量对应的CSI；
采集WIFI信号接收端测量的CSI并缓存，当缓存60个数据包的CSI时，对于一个数据包，选择天线1和天线2上的CSI做共轭乘法，消除WIFI信号发射端与WIFI信号接收端之间不同步产生的随机相移，获得修正的CSI，对于Intel 5300网卡，在每个数据包将中获得30个修正CSI(每个子载波对应一个CSI)；
根据60个数据包的修正CSI，减去其均值，然后利用30个子载波上的CSI，构造一个60*30的CSI矩阵，然后根据构建的矩阵得到一个多普勒频移谱；
判断多普勒频移谱的最高谱峰的能量是否高于预设能量阈值-3.97，是则判定室内感知区域有活动物体存在，否则判定室内感知区域无活动物体存在。
需要指出的，图2仅用于示意而不用于限定。
由此，利用WIFI设备的现有天线(目前常见的为2根，随着WIFI技术的发展，最新的协议已经可以支持8根)，通过采集接收端的信道状态信息，并结合Doppler-MUSIC方法以及预先测定的能量阈值，实现了非接触式的室内感知环境的活动物体探测；并且，对于不同的部署环境和系统拷贝，不用修改商用WIFI网卡的任何部件，也不需要进行任何离线学习和校准。
实施例二
根据本申请的实施方式，还提出一种基于无线信号的室内活动探测系统，如图4所示，包括：
WIFI信号发射端，用于向WIFI信号接收端发射WIFI数据包；
WIFI信号接收端，用于接收WIFI信号发射端发射的WIFI数据包；
采集模块，用于在WIFI信号发射端向WIFI信号接收端发射WIFI数据包时，采集对应的信道状态信息；
处理模块，用于根据预设方法对采集模块采集的信道状态信息进行处理，得到多普勒频移谱；
判断模块，用于判断处理模块得到的多普勒频移谱的最高谱峰的能量是否高于预设能量阈值，当判断结果为是时，判定室内有活动物体；当判断结果为否时，判定室内没有活动物体。
根据本申请的实施方式，WIFI信号接收端至少具有两根天线，并且是支持测量信道状态信息的设备；
对应的，采集模块，具体用于采集WIFI信号接收端测量的信道状态信息。
根据本申请的实施方式，处理模块，具体用于根据Doppler-MUSIC方法对采集模块采集的信道状态信息进行处理，得到多普勒频移谱。
根据本申请的实施方式，系统还包括：更新模块；
更新模块，用于系统对室内进行持续探测，且判断模块的判断结果为否时，更新预设能量阈值。
根据本申请的实施方式，更新模块具体用于：
统计室内无活动物体的时长；
当统计的时长到达预设时长时，根据统计的时长内所述处理模块得到的各多普勒频移谱的最高谱峰的能量计算新的能量阈值；
将预设能量阈值更新为计算的新的能量阈值。
其中，预设时长例如为5秒。
根据本申请的实施方式，还提出一种基于无线信号的室内活动探测设备，包括：一个或多个处理器，存储一个或多个程序的存储装置，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如本申请实施例一所述的方法。
根据本申请的实施方式，还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当该计算机程序被处理器执行时，实现如本申请实施例一所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参考即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本申请中，利用WIFI设备的现有天线，通过采集接收端的信道状态信息，并结合Doppler-MUSIC方法以及预先测定的能量阈值，实现了非接触式的室内感知环境的活动物体探测；并且，对于不同的部署环境和系统拷贝，不用修改商用WIFI网卡的任何部件，也不需要进行任何离线学习和校准，部署方便，可操作性强，应用范围广泛。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于无线信号的室内活动探测方法，其特征在于，包括：
通过室内的WIFI信号发射端向WIFI信号接收端发射WIFI数据包，并采集对应的信道状态信息；
根据预设方法对所述信道状态信息进行处理，得到多普勒频移谱；
判断所述多普勒频移谱的最高谱峰的能量是否高于预设能量阈值，当判断结果为是时，判定室内有活动物体；当判断结果为否时，判定室内没有活动物体；
当判断结果为否时,还包括:统计室内无活动物体的时长；当统计的时长到达预设时长时，根据统计的时长内得到的各多普勒频移谱的最高谱峰的能量计算新的能量阈值；将所述预设能量阈值更新为所述新的能量阈值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述WIFI信号接收端至少具有两根天线，并且是支持测量信道状态信息的设备；
所述采集对应的信道状态信息，具体为：采集所述WIFI信号接收端测量的信道状态信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据预设方法对所述信道状态信息进行处理，得到多普勒频移谱，具体为：
根据Doppler-MUSIC方法对所述信道状态信息进行处理，得到多普勒频移谱。
4.一种基于无线信号的室内活动探测系统，其特征在于，包括：
WIFI信号发射端，用于向WIFI信号接收端发射WIFI数据包；
WIFI信号接收端，用于接收所述WIFI信号发射端发射的WIFI数据包；
采集模块，用于在所述WIFI信号发射端向所述WIFI信号接收端发射WIFI数据包时，采集对应的信道状态信息；
处理模块，用于根据预设方法对所述采集模块采集的信道状态信息进行处理，得到多普勒频移谱；
判断模块，用于判断所述处理模块得到的多普勒频移谱的最高谱峰的能量是否高于预设能量阈值，当判断结果为是时，判定室内有活动物体；当判断结果为否时，判定室内没有活动物体；
更新模块，用于系统对室内进行持续探测，且所述判断模块的判断结果为否时，统计室内无活动物体的时长，当统计的时长到达预设时长时，根据统计的时长内所述处理模块得到的各多普勒频移谱的最高谱峰的能量计算新的能量阈值，将所述预设能量阈值更新为所述新的能量阈值。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述WIFI信号接收端至少具有两根天线，并且是支持测量信道状态信息的设备；
所述采集模块，具体用于采集所述WIFI信号接收端测量的信道状态信息。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述处理模块，具体用于根据Doppler-MUSIC方法对所述采集模块采集的信道状态信息进行处理，得到多普勒频移谱。
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